復(fù)合相變材料在電子設(shè)備短時(shí)瞬態(tài)溫控中的應(yīng)用

鄭雪曉

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

復(fù)合相變材料在電子設(shè)備短時(shí)瞬態(tài)溫控中的應(yīng)用

鄭雪曉

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

闡述了石墨/石蠟復(fù)合PCM(相變材料)相較于傳統(tǒng)PCM的優(yōu)勢(shì)，介紹了相變儲(chǔ)熱器的設(shè)計(jì)及工藝填充方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于等效比熱法的相變儲(chǔ)熱器的仿真和優(yōu)化。從而簡化了傳統(tǒng)PCM在電子設(shè)備短時(shí)溫控領(lǐng)域應(yīng)用中的設(shè)計(jì)、計(jì)算、強(qiáng)化傳熱、封裝問題，為石墨/石蠟復(fù)合PCM儲(chǔ)熱器設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

電子設(shè)備冷卻；短時(shí)瞬態(tài)溫控；相變材料；石墨/石蠟

引 言

航天、彈載電子設(shè)備由于其自身的條件限制，多數(shù)情況下無法采用自然對(duì)流、強(qiáng)迫風(fēng)冷或液冷等方式進(jìn)行冷卻，且部分產(chǎn)品外界會(huì)通過傳導(dǎo)或熱輻射的方式對(duì)其傳熱。此類產(chǎn)品工作環(huán)境初始溫度高，無故障工作溫度帶窄，在有限工作時(shí)間內(nèi)熱耗高，散熱條件缺失或存在外界對(duì)其加熱。因此需要尋求一種冷卻方式，解決以上問題，完成短時(shí)、瞬態(tài)溫度控制。

相變材料(Phase Change Material, PCM)是指在某一特定溫度下，從一種聚集態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種聚集態(tài)的物質(zhì)[1]，同時(shí)伴隨著大量儲(chǔ)熱或放熱的現(xiàn)象。PCM的這種恒溫、高儲(chǔ)放熱的特性，使其被廣泛應(yīng)用到儲(chǔ)能和溫控領(lǐng)域中。相變溫控因具有以上特點(diǎn)，在20世紀(jì)60年代被應(yīng)用到了航空航天電子設(shè)備溫控領(lǐng)域。

目前采用的多數(shù)PCM 按相變方式可分為固-固、固-液、固-氣和液-氣相變型PCM四類[2]。后兩種相變潛熱很大，但相變時(shí)體積變化也很大，使用時(shí)裝置復(fù)雜，并非電子產(chǎn)品最佳選擇。固-液型相變體積變化相對(duì)較小，相變潛熱較大，但相變過程中有液相出現(xiàn)，材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，不易封裝，并非電子設(shè)備溫控的最佳選擇。固-固型相變體積變化最小，且相變過程中不出現(xiàn)液相，無需容器封裝，但固-固型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在相變潛熱較小、品種較少、價(jià)格偏貴等問題，限制了其廣泛應(yīng)用。

石墨/石蠟復(fù)合PCM本質(zhì)上相變體是石蠟，屬固-液型PCM，但由于其特殊的物理結(jié)構(gòu)，相變時(shí)宏觀上并未呈現(xiàn)固液轉(zhuǎn)換，因此集合了上述傳統(tǒng)PCM的多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，為電子設(shè)備散熱，以及設(shè)計(jì)過程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝實(shí)現(xiàn)、數(shù)值仿真計(jì)算提供了有利條件。本文著重闡述如何將石墨/石蠟復(fù)合PCM通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)用于短時(shí)瞬態(tài)溫控領(lǐng)域，為基于石墨/石蠟復(fù)合材料的短時(shí)溫控設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 石墨/石蠟復(fù)合PCM

電子設(shè)備散熱PCM應(yīng)具備相變潛熱高、有合適的相變溫度、相變過程可逆性好、相變時(shí)體積變化小、導(dǎo)熱系數(shù)大、熱穩(wěn)定性好、不易燃等特點(diǎn)。

石墨/石蠟復(fù)合PCM是以有機(jī)物石蠟為PCM，無機(jī)物膨脹石墨為支撐結(jié)構(gòu)，根據(jù)儲(chǔ)熱材料的功能要求，設(shè)計(jì)和調(diào)控?zé)o機(jī)物材料的表面及界面特征，采用“液相浸滲法”，利用膨脹石墨對(duì)石蠟良好的吸附性能所制備出的石墨/石蠟復(fù)合PCM[3]。石墨高的導(dǎo)熱系數(shù)提高了PCM的導(dǎo)熱性能，此外在毛細(xì)作用力和表面張力的作用下，液態(tài)石蠟很難從石墨的微孔結(jié)構(gòu)內(nèi)滲透出來，從而抑制了石蠟在儲(chǔ)熱時(shí)液體的泄漏和流動(dòng)問題，其相變過程中宏觀可見材料始終處于固體狀態(tài)。與傳統(tǒng)單一PCM不同，該材料儲(chǔ)熱密度大、導(dǎo)熱系數(shù)高，且無液體泄漏和流動(dòng)問題，其相變過程體積變化小，價(jià)格相對(duì)較低。圖1為某石墨/石蠟復(fù)合材料試樣及電子掃描顯像圖。

圖1 石墨/石蠟復(fù)合材料試樣及電子掃描顯像圖

石墨基復(fù)合PCM具備上述優(yōu)點(diǎn)，因此可作為較為理想的電子設(shè)備短時(shí)瞬態(tài)溫控材料。表1列出了較為實(shí)用的3種石墨/石蠟復(fù)合材料的相關(guān)物性參數(shù)。

表1 3種石墨/石蠟復(fù)合材料的相關(guān)物性參數(shù)

2 復(fù)合PCM儲(chǔ)熱器的設(shè)計(jì)

石墨基復(fù)合PCM雖然和傳統(tǒng)單一材質(zhì)有機(jī)PCM相比，其導(dǎo)熱系數(shù)得到強(qiáng)化，但和金屬材料相比，其導(dǎo)熱系數(shù)仍然偏低[4]。儲(chǔ)熱器的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是增強(qiáng)傳熱能力，在材料填充量與傳熱翅片數(shù)量之間尋找最優(yōu)解。設(shè)計(jì)時(shí)可遵循以下思路：熱源發(fā)熱及儲(chǔ)熱器儲(chǔ)熱能力大致計(jì)算→根據(jù)空間尺寸限制及儲(chǔ)熱要求調(diào)整儲(chǔ)熱器外形→儲(chǔ)熱器散熱翅片優(yōu)化。其詳細(xì)流程如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)熱器設(shè)計(jì)流程

2.1 PCM填充質(zhì)量計(jì)算

發(fā)熱及儲(chǔ)熱計(jì)算是PCM儲(chǔ)熱器設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，主要計(jì)算熱源在工作時(shí)間內(nèi)總發(fā)熱量及此發(fā)熱量所需的PCM質(zhì)量。計(jì)算時(shí)可假設(shè)熱源及儲(chǔ)熱器處在一理想絕熱環(huán)境中，以簡化計(jì)算。

熱源發(fā)熱總量應(yīng)包含與冷板接觸的所有熱源的發(fā)熱量：

(1)

式中：Q為熱源總發(fā)熱量；Wi為各發(fā)熱體熱耗；t為工作時(shí)間。

由于假定整個(gè)熱交換系統(tǒng)都處在一理想絕熱環(huán)境中，因此不考慮熱源及相變儲(chǔ)熱器對(duì)外換熱，熱源發(fā)出的熱量全部被相變儲(chǔ)熱器吸收，因此所需填入的PCM質(zhì)量：

(2)

式中：L為相變潛熱。

由于大多數(shù)航天電子產(chǎn)品尺寸較小，因此其金屬容器所具有的顯熱與PCM相比可忽略不計(jì)。在估算PCM用量時(shí)，可只考慮相變潛熱對(duì)系統(tǒng)熱容量的影響。

2.2 儲(chǔ)熱器外形設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算出的PCM質(zhì)量以及安裝平臺(tái)的空間體積要求，設(shè)計(jì)出PCM儲(chǔ)熱器的外形尺寸及安裝接口。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮工藝的可行性，其結(jié)構(gòu)外形要相對(duì)簡單，散熱肋片設(shè)計(jì)不宜過于復(fù)雜、密度不宜過大，應(yīng)考慮填充工裝的可行性。外形設(shè)計(jì)可依據(jù)圖3流程進(jìn)行。

圖3 PCM儲(chǔ)熱器外形設(shè)計(jì)流程

2.3 儲(chǔ)熱器散熱肋片優(yōu)化

2.3.1 數(shù)值仿真優(yōu)化

根據(jù)測(cè)試和仿真結(jié)果對(duì)PCM儲(chǔ)熱器時(shí)間溫度曲線進(jìn)行分析，對(duì)PCM儲(chǔ)熱器內(nèi)翅片間距進(jìn)行調(diào)整，從而優(yōu)化PCM儲(chǔ)熱器時(shí)間溫度曲線的形狀，使相變段盡量延長，斜率減小。下文通過某實(shí)例介紹利用數(shù)值仿真對(duì)儲(chǔ)熱器進(jìn)行的強(qiáng)化儲(chǔ)熱設(shè)計(jì)。

數(shù)值仿真均建立在等效比熱法的基礎(chǔ)上。等效比熱法是指將相變區(qū)間的比熱替換為相變期間的潛熱h與相變區(qū)間溫差Δt的比值。石墨/石蠟復(fù)合材料相變過程中，石蠟吸附于石墨纖維之上，毛細(xì)作用及表面張力使其不能隨意流動(dòng)，因此在對(duì)PCM儲(chǔ)熱器進(jìn)行數(shù)學(xué)建模及仿真分析時(shí)，可不考慮固相與液相界面在吸熱過程中的移動(dòng)邊界問題(即斯蒂芬問題)，而采用簡化的等效比熱模型[3]，其等效關(guān)系如圖4所示。

圖4 等效關(guān)系圖

其中：

(3)

為了簡化優(yōu)化方案，盡量實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化，得出以下數(shù)值方法前提條件：

1)PCM儲(chǔ)熱器長寬方向尺寸固定，僅高度方向尺寸為可優(yōu)化參數(shù)；

2)PCM儲(chǔ)熱器強(qiáng)化傳熱肋片為“田”字形式，便于產(chǎn)品的簡化設(shè)計(jì)、加工和填裝。同時(shí)PCM儲(chǔ)熱器最小單元尺寸不小于20 mm，以便于填裝工裝的加工和保證剛度、強(qiáng)度；

3)考慮到填裝工裝的易加工及系列化問題，將PCM“田”字分為4格、6格和8格的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算機(jī)數(shù)值優(yōu)化僅針對(duì)尺寸進(jìn)行，不針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

儲(chǔ)熱器散熱肋片結(jié)構(gòu)如圖5所示，優(yōu)化過程中需要變化的是長度和寬度方向上的邊距d1、d2，及長度方向單元數(shù)量。如果單元數(shù)量取不同值導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，每個(gè)PCM單元體自適應(yīng)變更幾何尺寸，同時(shí)自適應(yīng)調(diào)整裝配陣列的間距、數(shù)量參數(shù)。

圖5 儲(chǔ)熱器散熱肋片結(jié)構(gòu)

優(yōu)化仿真采用Ansys Workbench，由于Ansys Workbench支持NX接口，因此可在DM(Design Modeler)中直接對(duì)以上3個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，同時(shí)使用DM的Electronic工具將參數(shù)化模型簡化為Icepak中的單元體。通過上述步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)d1、d2以及單元數(shù)量的優(yōu)化。

該例中將計(jì)算時(shí)間設(shè)為3600s，腔體材料為6061，為加快計(jì)算速度不考慮輻射換熱情況，溫度監(jiān)控點(diǎn)在熱源處，瞬態(tài)計(jì)算考察的時(shí)間可設(shè)定為1 h。

所得溫度隨時(shí)間分布曲線明顯可分為3部分，即：第一顯熱段，在該階段，吸熱主要由結(jié)構(gòu)和PCM的顯熱一起承擔(dān)；潛熱段，該階段溫升曲線斜率明顯變小，主要由PCM的相變潛熱發(fā)揮吸熱作用；第二顯熱段，PCM潛熱作用完畢，相變過程結(jié)束，熱量由結(jié)構(gòu)和相變后PCM的顯熱吸收。仿真優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。

圖6 數(shù)值仿真優(yōu)化結(jié)果

將所有仿真分析數(shù)據(jù)分布在一張散點(diǎn)圖上，得出4單元6 mm的結(jié)構(gòu)形式是使相變溫度最低同時(shí)相變段最長的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。

2.3.2 測(cè)試與數(shù)值仿真的對(duì)比

圖7為測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比。總體來看，使用該方法模擬的效果較好，溫度誤差±6 ℃，相變轉(zhuǎn)折點(diǎn)誤差在100～200 s之間， 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果誤差小于15%，可用于工程指導(dǎo)。

圖7 測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)相同結(jié)構(gòu)形式的PCM儲(chǔ)熱器進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果基本一致，說明目前的方法可較好地為石墨/石蠟復(fù)合PCM儲(chǔ)熱器強(qiáng)化傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 測(cè)試結(jié)果

3 PCM儲(chǔ)熱器的工藝實(shí)現(xiàn)

工藝實(shí)現(xiàn)可按如下步驟進(jìn)行：

1)將PCM置于開口容器中，并與空腔一起在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行加熱。

2)恒溫箱的溫度調(diào)節(jié)到高于PCM相變溫度，加熱后從開口容器中取出部分PCM快速填充至空腔內(nèi)。

3)用模具在外力幫助下進(jìn)行初步壓緊。

4)當(dāng)PCM和空腔溫度下降較明顯后，再將裝有部分PCM的空腔重新置于恒溫箱內(nèi)加熱，并記錄已加PCM的質(zhì)量。

5)取出空腔，重復(fù)上述操作。如果發(fā)現(xiàn)剩余PCM較多，而空腔剩余體積較小，可加大壓緊力度，直到需要填充的PCM被全部加入空腔后，結(jié)束上述操作。

PCM材料的填充工藝關(guān)系到此類產(chǎn)品的批次一致性，是工程應(yīng)用中一道關(guān)鍵環(huán)節(jié)。測(cè)試結(jié)果表明，采用目前的工藝實(shí)現(xiàn)方案，PCM儲(chǔ)熱器性能一致性較好，可進(jìn)一步開展工程化應(yīng)用，圖9為相同結(jié)構(gòu)形式的2塊儲(chǔ)熱器填充后的熱測(cè)試結(jié)果。

圖9 填充工藝一致性測(cè)試

4 結(jié)束語

石墨/石蠟復(fù)合材料的物理特性使其在電子設(shè)備短時(shí)瞬態(tài)溫控領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。石墨/石蠟復(fù)合PCM儲(chǔ)熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)化傳熱優(yōu)化方法的研究表明，在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)合PCM儲(chǔ)熱器在儲(chǔ)熱能力不亞于傳統(tǒng)PCM儲(chǔ)熱器的前提下，更加簡單、可靠。復(fù)合PCM儲(chǔ)熱器電子設(shè)備短時(shí)溫控技術(shù)可進(jìn)一步應(yīng)用于航天領(lǐng)域電子設(shè)備的各個(gè)散熱環(huán)節(jié)中。

目前，由于PCM與金屬儲(chǔ)熱腔體的線膨脹系數(shù)存在差異，導(dǎo)致反復(fù)加熱后PCM出現(xiàn)膨脹后收縮而使儲(chǔ)熱器性能發(fā)生變化，如何解決這一問題是下一步研究的重點(diǎn)，但該種復(fù)合材料及儲(chǔ)熱器在航空電子溫控領(lǐng)域仍然具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 周偉, 張芳, 王小群. 相變溫控在電子設(shè)備上的應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 電子器件, 2007, 30(1): 344-348.

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鄭雪曉(1981-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Application of Composite Phase Change Material in Short-time Temperature Control of Electronics

ZHENG Xue-xiao

(The10thResearchInstituteofCETC，Chengdu610036,China)

The advantages of graphite/paraffin PCM (Phase Change Material) compared with traditional PCM are discussed. The design of PCM container and method of filling process are discussed. Simulation and optimization of PCM container based on the method of equivalent specific heat are verified experimentally. Consequently, the design, calculation, heat transfer enhancing and packaging of traditional PCM in short-time temperature control of electronics are simplified, providing a reference for the design and application of graphite/paraffin PCM container.

electronics cooling; short-time temperature control; phase change material; graphite/paraffin

2013-04-28

TK124；TB34

A

1008-5300(2013)04-0009-04